3.2.5 无线传感器网络

1.无线传感器网络概况

随着人类探知领域的拓展，信息的获取、存储、处理、传输和利用已逐步深入社会、生产、生活的各个层面。集成了传感器技术、微机电系统技术、无线通信技术和分布式信息处理技术等前沿科技的无线传感器网络应运而生。

无线传感器网络技术的兴起，将逻辑上的信息世界和真实的物理世界紧密地结合起来，从而实现了“无处不在的计算”模式，最终实现物理世界、计算世界、人类社会三元世界的连通。它被认为是21世纪最重要的技术之一，将对人类的生活方式产生巨大的影响。

2.无线传感器网络概念

目前，国内传感器网络标准化工作组关于无线传感器网络的最新定义为：利用无线传感器网络节点及其他网络基础设施，对物理世界进行信息采集并对采集的信息进行传输和处理，以及为用户提供服务的网络化信息系统。

学术界一般从功能层次上把无线传感器网络概括成一个集信息感知、信息处理、信息传送和信息提供等功能于一体的有机自知整体，通常包括一个或多个汇聚节点（Sink）、网关及大量微型化传感节点，它是一个相对统一、典型的结构。无线传感器网络如图3-8所示。

如图3-8所示，传感节点是具有一定的感知、计算与无线通信能力，并具有独立电池模块的嵌入式设备；传感节点通过自组织的方式形成多跳无线网络系统，通过协作的方式收集数据，通过数据处理获得低冗余信息，经过多跳的方式传送给汇聚节点。

3.无线传感器网络的特点

无线传感器网络的应用领域极为广泛，包括军事国防、环境监测、工业监控、医疗保健、物流跟踪、智能家居、桥梁监控、智慧交通、能源输送等。工作环境与网络业务的多样化，使得无线传感器网络的硬件平台、软件系统与协议设计具有应用驱动的显著特征。无线传感器网络具有鲜明的系统特点、技术特点和硬件特点。

1）系统特点

（1）面向任务。无线传感器网络是任务驱动的自组织系统，其关注的是对用户的任务需求的执行与反馈，其网络资源分配、节点组织方式、信息交互方式需要与任务需求相适应，而不是仅仅关注网络连通性与通信服务质量的网络通信系统。

（2）大规模组网。由于单个传感节点的功能限制，需要布设大量节点以获得较大的覆盖范围，通过分布式处理采集大量的信息以提高监测的精确度，同时利用大量节点的群集效应完成少数节点无法负担的任务。大规模特性给网络拓扑管理、维护与数据的QoS服务带来了巨大的挑战。

（3）自组织，网络安全性较差。在大部分网络应用中，传感节点的布设往往具有随机性，而且存在节点故障、无线链路不稳定等因素。在无线传感器网络中，个别节点的损坏并不会影响整个无线传感器网络的运行，节点可以随时加入或离开网络，这要求节点具有自组织能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成多跳无线网络系统。它不需要固定网络的支持，具有快速展开、抗毁性强等特点。另外，由于无线传感器网络大规模部署，并且采用无线信道、分布式控制等技术，使得它更容易受到被动窃听、主动入侵等攻击，因此，需要特别考虑信道加密、抗干扰等安全管理措施。

（4）高冗余。节点数量众多，分布密集。大量冗余节点的存在可以有效提高信息采集的精确度，降低对单个节点功能的要求，同时提高网络连通性和可靠性。

（5）以数据为中心，数据传输方向性强。与以地址为中心的传统网络不同，无线传感器网络是基于任务的网络，用户不关心数据是从哪个或哪些节点获取的，而是关心数据本身，数据的属性比该数据所在节点的ID更重要，这对网络的路由协议设计提出了新的挑战。另外，数据的传输具有很强的方向性。一般情况下，查询、管理及配置等信息是从用户向网络中的节点发布，而监测、事件驱动上报等信息是从分布在监测区内的传感节点向汇聚节点传送，进而到达用户。

（6）在网信息处理。由于用户关心的是最终数据，而且无线传感器网络的高冗余特性决定了其需要进行在网处理（In-network Processing），包括数据聚合（Data Aggregation）与协同处理等。通过在网处理可以降低数据冗余，提取有效数据，最小化数据传输以降低网络能耗，延长网络生存时间。

2）技术特点

随着无线传感器网络应用场景的多元化，传感节点和获取信息的方式日趋复杂多样，使得无线传感器网络数据业务量急剧增加，对无线传感器网络提出了更高的要求，急需提高无线传感器网络在采集、处理、传输等方面的综合能力和基础设备设施覆盖率。下面以无线传感器网络信息获取、信息传输、信息处理这三大信息技术支柱为依据，主要介绍无线传感器网络的信息感知、信息交互、信息处理方面的技术特点。

（1）信息感知。

① 在目标探测方式方面，存在主动式和被动式两种探测方式。这两类设备在感知模式、用于反馈环境或指令等信息的执行器结构和功能、感知信息在网络中的传输模式和流量特征、信息预处理，以及节点状态控制等方面存在较大差异。

② 在感知参量方面，存在单参感知、多参感知两种需求。在单参量传感节点、同一类参量多节点、多参量多节点等的感知方式上，其采样方式、预处理及基于物理相关性进行模态融合等信息处理上存在显著差别，进而导致节点设备结构上存在较大差异。

③ 在目标参数类型方面，存在标量感知信息、矢量感知信息两种类型。传感信息类型的不同，会导致在时间相关性、空间相关性、目标信息相关性、模态相关性等方面存在重要差异。传感节点设备在设备软/硬件资源配置、功能模块设计等方面存在较大差异，如矢量类感知信息对同步、定位等存在较高要求。

④ 在节点对感知信息的协同处理能力方面，一般存在高协同信息处理能力和低协同信息处理能力。一方面，对于地震波、声波及大部分混合传感器信息，节点需要具有本地高协同处理能力，以减少网络传输能量；另一方面，对于一般家居控制、环境监测等信息，传感节点则仅需要简单的处理能力。由于人力、技术、成本等因素，针对高协同信息处理能力设备和低协同信息处理能力设备的开发，也存在较大差异。

⑤ 在网络通信能力方面，低功耗无线传输设备存在100m内近距和100～1000m中距两大类需求，不仅满足室内和室外传感节点密集布设需要，而且为野外传感节点的使用带来极大便利。

（2）信息交互。无线传感器网络多样化的应用需求与复杂的应用环境，决定了其各方面技术设计均需要面向应用进行考虑。传感器设备的交互行为与特征，均会由于不同任务、不同环境等因素而存在较大差异。大部分应用都有共性可循，无线传感器网络的应用按照源节点和汇聚节点的信息交互方式的差异，主要分为以下几类。

① 周期性监测。节点感知环境的相关参数，并周期性向基站汇报，汇报的周期由具体的应用要求决定。周期性监测可应用于精细农业、工业。周期性监测通常会与突发事件监测相结合，监测到的数据一旦发生异常，系统就自动进入检测模式。

② 突发事件监测。一旦源节点监测到异常事件，则必须马上向基站汇报。简单的事件可通过单个节点在本地感知；复杂的事件需要邻近多个节点协同感知，并将信息在基站融合，从而判断这一复杂事件是否发生。

③ 环境重构与边缘检测。某一物理参数随空间变化，利用单个传感节点的有限样本，无线传感器网络提取空间特性，重构事件模型。例如，在森林火灾应用中，可通过不同位置的传感器感知到的温度或烟尘信息，重构火灾模型，或找到等温点确定火灾的边界。

④ 跟踪监测。目标事件是移动的，感知到该目标的所有源节点协同估算出目标的位置、速度和方向等，并将估算结果向基站汇报。例如，监测入侵者的运行轨迹、跟踪野生动物的活动。

⑤ 查询驱动。无线传感器网络的数据查询应用可以分为查询动态数据和查询历史数据两类。查询动态数据时，数据在传感节点监测到的一个小的时间窗内有效，如事件监测查询或一些特定查询。查询历史数据的每个数据都很重要，不能丢失，具体是指对监测到的历史数据进行数据挖掘，用于发现事件特殊模式，分析数据走势，形成特定事件的理想模型等。

（3）信息处理。在信息处理方面，无线传感器网络存在信息参量的多样性、信息变化的复杂性、信息融合的层次性、信息处理的协同性四个主要特征。

① 信息参量的多样性。由于应用场景的差别和需求的不同，无线传感器网络信息感知方法的特征首先表现为传感器所感知信息参量的多样性。不同类型的传感器所测量的物理参量类型是不同的，常用的被动型传感器包括磁场传感器、热传感器、化学传感器、光传感器、声响传感器和振动传感器等，而常用的主动型传感器则包括超声波传感器、雷达传感器等。一般而言，网络中节点传感器的选择应当综合考虑应用需求、目标的物理属性及传感器模态的特性等因素。传感器模态的特性可以概括为测量方向性、封装特性、技术成熟度、节点资源约束条件下本地信号处理算法可实现性、测量距离、多模态可共存、测量类型和方式等。

② 信息变化的复杂性。无线传感器网络所需感知的物理信息变化十分复杂，物理量变化既可以是一种短时瞬态变化过程，也可以是一种长时缓慢变化的过程。此外，物理信息量的变化既可以仅在局部受限区域内发生，也可以作用在全局网络范围内。无线传感器网络信息变化的复杂性还表现在其所处环境变化和所受干扰的复杂性。

③ 信息融合的层次性。信息融合在一些文献中也被称为数据融合，在信息系统设计中具有至关重要的作用。美国三军联合实验室理事联合会认为，信息融合是一个多层次、多方面的处理过程，包括对多源数据进行检测、相关、组合和估计，从而提高状态和身份估计的精度，以及对战场态势和威胁的重要程度进行适时完整的评价。数据融合分为五个不同级别：数据预处理级（Level0）、目标评估级（Level1）、态势评估级（Level2）、影响评估级（Level3）和过程评估级（Level4）。一般认为，前两个级别属于数据融合的低级层次，以数值计算过程为主；后三个级别属于数据融合的高级层次，对其研究主要采用基于知识及知识推理的方法。

④ 信息处理的协同性。无线传感器网络信息处理与信息融合在不同传感器模态、节点、簇间及子网间相互协同。无线传感器网络在完成信息感知任务时，会受到环境变化干扰和噪声、动态应用需求、传感器测量可靠性和移动子网状态的不确定性等多方面因素的影响，这些都需要通过设计有效的协同感知方法来解决。协同问题已成为无线传感器网络信息处理中的核心问题。

3）硬件特点

无线传感器网络节点一般以电池供电，但针对应用业务的不同需求，有时需要太阳能、振动能、风能、热能等额外能量提取技术。板级控制器是整个硬件架构的心脏，负责对所有板级部件进行控制管理，板级控制器需要满足低功耗要求。通信单元是无线传感器网络节点间沟通的桥梁，一般采用微功耗集成无线芯片。在硬件方面，无线传感器网络具有能量受限、通信能力受限、计算和存储能力受限三个主要特征。

（1）能量受限。传感节点所携带的电池的能量十分有限。一是由于传感节点分布区域广，而且部署区域环境复杂，许多区域甚至人员不可达，因此能源难以补充；二是受限于节点尺寸与成本，无法采用大容量电池或太阳能电池。因此，高效使用能量以最大化网络生存时间是无线传感器网络设计的重要目标。

（2）通信能力受限。无线通信的能量消耗随着通信距离的增加而急剧增加。因此，在满足通信连通度的前提下应尽量缩短单跳通信距离，数据传输采用多跳路由机制；同时，节点的无线通信带宽有限，一般只有几百比特率。

（3）计算和存储能力受限。传感节点是一种微处理嵌入设备，要求价格和功耗较低，这些限制必然导致其携带的处理器性能较低、存储器容量较小。因此，需要通过多节点协同合作以实现复杂的网络功能。